DE3137029A1

DE3137029A1 - Turbine rotor welded together from individual forgings

Info

Publication number: DE3137029A1
Application number: DE19813137029
Authority: DE
Inventors: Otto-Erich Ing.-grad. 4330 Mülheim a.d.Ruhr Wiemer
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1981-09-17
Filing date: 1981-09-17
Publication date: 1983-03-24

Abstract

A turbine rotor welded together from individual forgings, in particular a steam turbine rotor, with a continuous shaft (1) and discs (3) arranged a distance apart on the latter. To give the welded turbine rotor similar strength properties to those of a one-piece turbine rotor, the shaft (1) and root portions (31) - machined from a solid block, of the discs (3) form one forging. The annular disc parts (32) which adjoin the root portions (31) radially towards the outside are designed as separate forgings and are connected to the root portions (31) by circumferential welds (33). In this arrangement, the welds (33) preferably extend across the entire width of the discs (3) at the joining locations. <IMAGE>

Description

Aus Einzel.schmi.e.de.stücken .z.usammeng.es.chweißt.er Turbinen-From single.schmi.e.de.pieces .togetherg.es.chweißt.er turbine

rotor Die Erfindung bezieht sich auf einen aus Einzelschmiedestücken zusammengeschweißten Turbinenrotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.rotor The invention relates to a single forgings welded together turbine rotor according to the preamble of claim 1.

Ein derartiger Turbinenrotor ist aus dem Buch von W Traupel "Thermische Elrbomaschinen", 2. Band, Springer-Verlag, 1968, Seiten 297 bis 305, bekannt. Dabei sind die durchgehende Welle des Turbinenrotors und die Scheiben als Einzelschmiedestücke ausgebildet. Die Scheiben werden mit leichter Schrumpfspannung auf die Welle aufgezogen und dann durch Schweißung mit dieser verbunden. Die Schweißung ist als sogenannte Lippenschweißung ausgeführt, wobei ein ringförmiger Ansatz der Scheibe mit einem ähnlichen hinterdrehten Ansatz der Welle verbunden ist. Diese Lippenschweißung hat gegenüber einfachen Schrumpfverbindlmgen den Vorteil, daß im Betrieb eine einwandfreie Zentrierung gesichert ist, auch wen die Schrumpfspannung verschwindet. Andererseits dürfte die Festigkeit einer derartigen Verbindung jedoch relativ gering sein. Außerdem führen die für die Lippenschweißung erforderlichen Ansätze von Welle und Scheiben zu einer Vergrößerung des Scheiben standes und damit zu einer größeren Baulänge.Such a turbine rotor is from the book by W Traupel "Thermische Elrbomaschinen ", 2nd volume, Springer-Verlag, 1968, pages 297 to 305, known are the continuous shaft of the turbine rotor and the disks as individual forgings educated. The disks are pulled onto the shaft with a slight shrinkage tension and then connected to it by welding. The weld is called a Lip weld performed, with an annular extension of the disc with a similar back-turned approach of the shaft is connected. This lip weld has compared to simple shrink-fit connections the advantage that in operation a perfect Centering is assured, even if the shrinkage stress disappears. on the other hand However, the strength of such a connection is likely to be relatively low. aside from that lead the shaft and pulley attachments required for lip welding to an enlargement of the panes and thus to a greater length.

Aus der eingangs genannten Literaturstelle ist es auch bekannt, einen Turbinenrotor aus mehreren in axialer Richtung aneinandergereihten Einzelschmiedestücken aufzubauen und die Verbindungen durch entsprechende Schweißnähte herzustellen. Bei dieser Bauart muß å jedoch auf die günstigen Festigkeitseigenschaften einer durchgehenden Welle verzichtet werden.From the literature mentioned at the outset, it is also known to have a Turbine rotor made of several individual forgings lined up in an axial direction build up and establish the connections by means of appropriate welds. at However, this type of construction must be based on the favorable strength properties of a continuous Wave can be dispensed with.

Aus der eingangs genannten Literaturstelle ist es ferner bekannt, einen Turbinenrotor einteilig auszubilden, wobei die Scheiben aus dem Vollen herausgearbeitet werden, so daß Scheiben und Welle ein Schmiedestück bilden. Diese Bauform besitzt wegen der Einheit von Welle und Scheiben besonders günstige Festigkeitseigenschaften. Außerdem ergibt sich bei dieser einteiligen Bauform ein geringer Abstand zwischen den Scheiben, wodurch kleinere Baulängen und eine Verkürzung des Lagerabstandes ermöglicht werden.It is also known from the literature cited at the beginning that to design a turbine rotor in one piece, the disks being machined from the solid so that the discs and the shaft form a forging. This design has particularly favorable strength properties due to the unity of shaft and disks. In addition, this one-piece design results in a small distance between the discs, resulting in shorter overall lengths and a shortening of the bearing spacing be made possible.

Die einteilige Bauform stellt jedoch bei großen Abmessungen sehr hohe Anforderungen an die Schmiedetechnik.The one-piece design, however, is very large with large dimensions Requirements for forging technology.

Insbesondere sind die erforderlichen Werkstoffkontrollen wesentlich schwieriger als bei kleineren Schmiedestücken.In particular, the necessary material controls are essential more difficult than with smaller forgings.

Außerdem erfordert das Herausarbeiten der Scheiben aus dem Vollen einen erheblichen Aufwand.In addition, the disks must be worked out from the solid a considerable effort.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen arbinenrotor zu schaffen, welcher aus einfach herstellbaren Einzelschmiedestücken zusammengebaut werden kann und ähnliche Festigkeitseigenschaften aufweist wie ein einteiliger Turbinenrotor.The invention is therefore based on the object of an arbine rotor to create, which is assembled from easily manufacturable single forgings can be and has similar strength properties as a one-piece turbine rotor.

Bei einem aus Einzelschmiedestücken zusammengeschweißten Turbinenrotor der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.With a turbine rotor welded together from individual forgings of the type mentioned, this object is achieved according to the invention by the in the characterizing Part of claim 1 specified features solved.

Bei dem erfindungsgemäßen Turbinenrotor werden dle Fußteile der Scheiben aus dem Vollen herausgearbeitet, so daß die Fußteile und die Welle ein Schmiedestück bilden und in dem für die Festigkeitseigenschaften kritischen Ubergangsbereich zwischen Welle und-Scheiben die gleichen Bedingungen vorliegen wie bei einem einteiligen <«rbinenrotor. Die übrigen ringförmigen Scheibenteile werden dann als separate Schmiedestücke ausgebildet, wobei sämtliche Einzelsehmiedestücke gut durchgeschmiedet werten können. Im Vergleich zu vollständig aus dem Vollen heraus- gearbeiteten Läuferscheiben erfordert das Herausarbeiten der Fußteile nur einen geringen Aufwand. Durch das Zerauso arbeiten der Fußteile aus dem Vollen können die zur Verbindung der Fußteile mit den übrigen ringförmigen Scher ben vorgesehenen Schweißnähte in einen Bereich gelegt werden, in welchem keine Biegewechselspannungen zu erwarten sind und in welchem eine gute Zugänglichkeit für das Anbringen der Schweißnähte gewährleistet ist. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Turbinenrotors ist, daß insbesondere-im Hinblick auf die Baulänge und den Scheibenabstand die gleichen Abmessungen realisiert werden können, wie bei einem einteiligen Turbinenrotor Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turbinenrotors ist vorgesehen, daß die Schweißnähte sich über die gesamte Breite der Scheibe an den Verbindungsstellen erstrecken. Der gesamte Turbinenrotor verhält sich dann wie ein einteiliges Werkstück.In the turbine rotor according to the invention, the foot parts of the disks are Machined from solid, so that the foot parts and the shaft are forged form and in the critical transition area for the strength properties between Shaft and pulleys have the same conditions as a one-piece <«Rbinenrotor. The remaining annular disc parts are then as separate Forged pieces formed, with all individual forged pieces well forged can evaluate. Compared to completely out of the full - worked Carrier disks only require little effort to work out the foot parts. By working in the same way, the foot parts can be used to connect the foot parts with the remaining annular Scher ben provided welds in an area in which no alternating bending stresses are to be expected and in which there is good accessibility for making the weld seams is guaranteed. Another advantage of the turbine rotor according to the invention is that in particular — with regard to the overall length and the distance between the panes — the same Dimensions can be realized as with a one-piece turbine rotor a preferred embodiment of the turbine rotor according to the invention is provided, that the weld seams extend over the entire width of the pane at the connection points extend. The entire turbine rotor then behaves like a one-piece workpiece.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Welle angeschmiedete Kupplljngsflansche besitzt, deren Außendurchmesser Jeweils geringer ist als die Innendurchmesser der zugeordneten ringförmigen Scheibenteile. Bei einer entsprechenden Bemessung der ringförmigen Scheibenteile braucht also auf die günstigen Eigenschaften angeschmiedeter Kupplungsflansche nicht erzichtet zu werden.In a further embodiment of the invention it is provided that the shaft has forged coupling flanges, each of which has an outer diameter is smaller than the inner diameter of the associated annular disc parts. With a corresponding dimensioning of the ring-shaped disc parts, therefore, needs the favorable properties of forged coupling flanges are not reported will.

Zur Erleichterung der gegenseitigen Ausrichtung der einzelnen Schmiedestücke beim Zusammenbau des Turbinenrotors können die Fußteile und die ringförmigen Scheibenteile einander zugeordnete Zentrierbunde besitzen. Dann können auch die Nahtwurzeln der Schweißnähte-in die außerhalb der Scheibenkontur liegenden Bereiche der Zentrierbunde gelegt werden. Eine derartige Ausbildung der Schweißnähte hat den Vorteil, daß nach dem Schweißen die Zentrierbunde tris zur Scheibenkontur abgedreht werden können und hierdurch ein Anreißen der damit ebenfalls entfernten Nahtwurzeln ausgeschlossen werden kann.To facilitate the mutual alignment of the individual forgings when assembling the turbine rotor, the foot parts and the annular disk parts have associated centering collars. Then the seam roots of the Weld seams in the areas of the centering collars lying outside the disc contour be placed. Such a design of the weld seams has the advantage that after After welding, the centering collars can be turned off to the disc contour and as a result, the seam roots that were also removed are torn can be excluded.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.In the following, embodiments of the invention are based on the Drawing explained in more detail.

Dabei zeigt: Fig. 1 in stark vereinfachter schematischer Darstellung einen teilweisen Längsschnitt durch einen Dampfturbinenrotor, Fig. 2 einen teilweisen Längsschnitt durch den Turbinenrotor einer doppelflutigen Dampfturbine und Fig. 3 eine Scheibe des in Fig. 2 dargestellten Turbinenrotors in der Umgebung einer noch nicht angebrachten Schweißnaht.It shows: FIG. 1 in a greatly simplified schematic representation a partial longitudinal section through a steam turbine rotor, FIG. 2 a partial Longitudinal section through the turbine rotor of a double-flow steam turbine and Fig. 3 shows a disk of the turbine rotor shown in FIG. 2 in the vicinity of a Weld seam not yet applied.

In dem in Fig. 1 dargestellten Teil eines DampSturbinenrotors sind eine Welle 1, ein an die Welle 1 angeschmiedeter Kupplungsflansch 2 und mehrere in Abstand zueinander angeordnete Scheiben zu erkennen. Auf die Darstellung eines zweiten Kupplungsflansches und der von den Scheiben zu tragenden Beschaufelung wurde verzichtet. Die Scheiben 3 bestehen dabei jeweils aus einem Fußteil 31 und einem sich in radialer Richtung nach außen daran anschließenden ringförmigen Scheibenteil 32. Die Verbindung eines Fußteils 31 und des zugeordneten ringförmigen Scheibenteils 32 ist dabei jeweils durch eine in Umfangsrichtung verlaufende und sich über die gesamte Breite der Scheibe 3 erstreckende Schweißnaht 33 hergestellt. Die Fußteile 3 der Scheiben 3 sind aus dem Vollen herausgearbeitet, so daß die Welle 1, die Kupplungsflansche 2 und die Fußteile 31 ein Schmiedestück bilden. Die ringförmigen Scheiben teile 32 sind jeweils als separate Schmiedestücke asbildet. Insgesamt gesehen werden also nur verhältnismäßig leichte Schmiedestücke für den Aufbau des Durbinenrotors benötigt, was die Werkstoffkontrolle erleichtert und die Ausschußgefahr herabsetzt.In the part of a steam turbine rotor shown in FIG. 1 are a shaft 1, a coupling flange 2 forged onto the shaft 1 and several to recognize disks arranged at a distance from one another. On the representation of a second coupling flange and the blading to be carried by the disks waived. The discs 3 each consist of a foot part 31 and a ring-shaped disk part adjoining it in the radial direction outward 32. The connection of a foot part 31 and the associated annular disk part 32 is in each case by a running in the circumferential direction and over the weld seam 33 extending over the entire width of the disk 3. The foot parts 3 of the disks 3 are machined from the solid, so that the shaft 1, the coupling flanges 2 and the foot parts 31 form a forging. Divide the annular disks 32 are each formed as separate forgings. So overall to be seen only relatively light forgings for the construction of the turbine rotor needed, which facilitates material control and reduces the risk of rejects.

Bei dem-dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Scheiben 3 als Scheiben gleicher Dicke ausgebildet, die lediglich im Ubergangsbereich zu der Welle 1 verbreitert sind.In the illustrated embodiment, the disks 3 are as Discs of the same thickness formed only in the transition area to the shaft 1 are widened.

Es ist aber ersichtlich, daß die Scheiben 3 auch mit Fußverstärkungen ausgeführt werden könnten, wodurch der Span abfall beim Herausarbeiten der Fußteile 31 reduziert w'?1rde. Damit die ringförmigen Scheibenteile 32 beim Zusammenbau des Turbinenrotors über die Kupplungsflansche 2 geschoben werden können, ist der Innendurchmesser Di der ringförmigen Scheibenteile 33 stets etwas größer zu bemessen, als der Außendurchmesser Da der Kupplungsflansche 2.It can be seen, however, that the discs 3 also have reinforcements on the feet could be carried out, whereby the chip waste when carving out the foot parts 31 would be reduced. So that the annular disc parts 32 when assembling the Turbine rotor can be pushed over the coupling flanges 2, is the inner diameter Di the ring-shaped disk parts 33 always to be dimensioned somewhat larger than the outer diameter Since the coupling flange 2.

Der I.nnendurchmLesser D. der ringförmigen Scheibenteile 32 sollte jedoch nicht zu groß bemessen werden, da sonst die Abmessungen des inneren Schmiedestückes vergrößert wirden md auch beim Herausdrehen der Kontur zwischen den vU13-teilen 3< der Aufwand Mid der Spananfall gesteigert würden.The inside diameter D. of the annular disk parts 32 should however, it should not be made too large, otherwise the dimensions of the inner forging will be reduced md is also enlarged when turning out the contour between the vU13 parts 3 <the effort Mid the chip rate would be increased.

In dem in Fig. 2 dargestellten Teil des Durbinenrotors einer doppelflutigen Dampfturbine sind eine Welle 4 und im Abstand zueinander angeordnete Scheiben 5, 6, 7 und 8 zu erkennen. Die übrigen in der Zeichnung nicht dargestellten Scheiben des Turbinenrotors sind bezüglich der mit M bezeichneten Mittenebene genau spiegelbildlich zu den Scheiben 5 bis 8 angeordnet. Die Scheibe 5 besteht aus einem mit der Welle 4 einstückig verbundenen Fußteil 51 und einem sich in radialer Richtung nach außen daran anschließenden ringförmigen Scheibenteil 52, wobei die Verbindung durch eine in Unifangsrichtung verlaufende Schweißnaht 53 hergestellt ist. In entsprechender Weise bestehen die Scheiben 6, 7 und 8 aus Fußteilen 61 bzw. 71 bzw.- 8i und ringförmigen Scheibenteilen 62 bzw, 72 bzw 82, wobei die Verbindungen durch Schweißnähte 63 bzw. 73 bzw. 83 hergestellt sind. Die Kontur der Fußteile 51, 61, 71 und 81 wird aus dem Vollen herausgedreht und kann daher hinsichtlich der Fußverstärkung der Einstechtiefe auf die an der jeweiligen Stelle vorhandenen Erfordernisse abgestellt werden. Die Kontur der ringförmigen Scheibenteile 52, 62, 72 und 82 wird ebenfalls vor dem Zusammenbau des Turbinenrotors weitgehend fertiggestellt, so daß sie nach dem Verschweißen nur noch geringfügig überarbeitet werden muß. Die Innendurchmesser der ringförmigen Scheibenteile 52, 62, 72 und 82 können ebenfalls den jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden, wobei jedoch im Hinblick auf den Zusammenbau diese Innendurchmesser von außen her zur Mittenebene M hin ansteigen sollten. Außerdem sollte bei der Festlegung der Abmessungen und der Einstechtiefen auf die gute Zugänglichkeit für die Anbringung der Schweißnähte 53, 63, 73 und 83 geachtet werden1 d. h. die Fußteile 51, 61, 71 und 81 sollten deutlich aus der Welle 4 hervorstehen.In the part of the Durbinenrotors shown in Fig. 2 a double-flow Steam turbines are a shaft 4 and disks 5 arranged at a distance from one another, 6, 7 and 8 can be seen. The remaining disks, not shown in the drawing of the turbine rotor are exactly mirror images with respect to the center plane marked M arranged to the disks 5 to 8. The disc 5 consists of one with the shaft 4 integrally connected foot part 51 and one extending outward in the radial direction adjoining annular disc part 52, the connection by a Welding seam 53 running in the uni-circumferential direction is made. In appropriate The discs 6, 7 and 8 consist of foot parts 61 and 71 or 8i and ring-shaped ones Disc parts 62 or, 72 or 82, the connections being made by welds 63 or 73 or 83 are made. The contour of the foot parts 51, 61, 71 and 81 is turned out of the solid and can therefore with regard to the foot reinforcement of the Penetration depth based on the requirements at the respective point will. The contour of the annular disk parts 52, 62, 72 and 82 is also largely completed before the assembly of the turbine rotor, so that after the welding only needs to be revised slightly. The inside diameter of the annular disc parts 52, 62, 72 and 82 can also be the respective Requirements are adapted, but with a view to the assembly of these The inner diameter should increase from the outside towards the central plane M. aside from that When determining the dimensions and the penetration depths, attention should be paid to good accessibility Care must be taken to make weld seams 53, 63, 73 and 831 d. H. the Foot parts 51, 61, 71 and 81 should protrude clearly from the shaft 4.

Am Beispiel der Scheibe 7 ist in Fig. 3 dargestellt, wie der Zusammenbau des Turbinenrotors vereinfacht und gleichzeitig die Güte der Schweißung verbessert werden kann. Der Fußteil 71 der Scheibe 7 besitzt einen seitlichen Zentrierbund 74, mit welchem ein entsprechender Zentrierbund 75 des ringförmigen Scheibenteils 73 in radialer und axialer Richtung zur Anlage gebracht werden kann. Die Zentrierbunde 74 und 75 ermöglichen somit- eine rasche und exakte Ausrichtung des ringförmigen Scheibenteils 72. In Fig. 3 ist ferner zu erkennen, daß der Fußteil 71 eine konisch geneigte Außenfläche und der ringförmige Scheibenteil 73 eine konisch geneigte Innenfläche besitzt, wobei die Neigungen auf den keilförmigen Querschnitt der Schweißnaht 73 (Fig. 2) abgestellt sind..Using the example of the disk 7, FIG. 3 shows how the assembly is carried out of the turbine rotor and at the same time improves the quality of the weld can be. The foot part 71 of the disc 7 has a lateral centering collar 74, with which a corresponding centering collar 75 of the annular disc part 73 can be brought to bear in the radial and axial directions. The centering collars 74 and 75 thus enable a quick and exact alignment of the ring-shaped Disk part 72. In Fig. 3 it can also be seen that the foot part 71 is conical inclined outer surface and the annular disk part 73 has a conically inclined inner surface possesses, the inclinations on the wedge-shaped cross section of the weld seam 73 (Fig. 2) are turned off ..

Beim Anbringen der Schweißnaht 73 werden die Zentrierbunde 74 und 75 zumindest so weit aufgeschmolzen, daß die Nahtwurzel in einem.Bereich außerhal-b der eigentlichen Scheibenkontur liegt. Beim Überdrehen der Scheibenkontur nach dem Schweißen wird dann die Nahtwurzel entfernt und eine von ihr ausgehende Rißgefahr vollständig vermieden. Der Turbinenrotor kann nach dem Verschweißen der Einzelschmiedestücke ggf. noch spannungsarm glüht werden.When the weld seam 73 is made, the centering collars 74 and 75 melted at least so far that the seam root in an area outside the b the real one Disc contour lies. When over-turning the disc contour After the welding, the seam root is removed and one starting from it Risk of cracks completely avoided. The turbine rotor can after welding the Individual forgings may need to be annealed to relieve stress.

5 Patentansprüche 3 Figuren Leerseite5 claims 3 figures Blank page

Claims

Patent claims Turbine rotor welded together from individual forgings, in particular steam turbine rotor, with a continuous shaft and at a distance from one another Disks arranged on it, not shown, have the following features: a) the shaft (1; 4) and foot parts (31; 51, 61, 71, 81) the disc (3; 5, 6, 7, 8) form a forging; b) in the radial direction to the outside of the foot parts (31; 51, 61, 71, 81) adjoining annular disc parts (32; 52, 62, 72, 82) are designed as separate forgings; c) the connections between the foot parts (31; 51, 61, 71, 81) and the annular disc parts (32i 52, 62, 72, 82) are separated by weld seams (33; 53, 63, 73, 83).

2. Turbine rotor welded together from vinzel forgings Claim 1, that the weld seams (33; 53, 63, 73, 83) over the entire width of the discs (3; 5, 6, 7, 8) on the Extend connection points.

3. Turbine rotor welded together from single forged pieces Claim 1 or 2, d u r c h g ek e n n z e i c n n e t that the shaft (1) is forged on Has coupling flanges (2), the outer diameter (Da) of which is smaller in each case than the inner diameter (Di) of the associated annular disk parts (32).

4. Turbine rotor welded together from individual forgings according to One of the preceding claims, d ad u r c h g e k e n n n z e i c h n e t, -daß the foot parts (71) and the annular disc (72) centering collars assigned to one another (74, 75) have.

5. Turbine rotor welded together from individual forged pieces Claim 4, that the seam roots of the Weld seams (73) in the areas of the centering collars lying outside the disc contour (74, 75) are placed.